SDH 技術原理及應用研究

白曉龍

(山西省廣播電視局428 臺，山西 汾陽 032200)

SDH(同步數(shù)字系列)是一套可進行同步信息傳輸、復用、分插和交叉連接的標準化數(shù)字信號結(jié)構等級，在傳輸媒質(zhì)上(如光纖、微波等)進行同步信號的傳送，它是一種新的數(shù)字傳輸體制。

在數(shù)字通信中，為了擴大傳輸容量和提高傳輸效率，常常需要將若干個低次群低速數(shù)字信號以數(shù)字復用的方式合成為一路高速數(shù)字信號，然后再通過寬帶信道傳輸。數(shù)字復用就是實現(xiàn)兩個或兩個以上支路數(shù)字信號按時分復用方式匯接成為單一的復合數(shù)字信號，這個過程稱為數(shù)字復接，完成這功能的設備稱為數(shù)字復接器。在傳輸線路收端把復合數(shù)字信號分離成各分支信號的過程稱為分接，完成此功能的設備稱為數(shù)字分接器。數(shù)字復接和分接合在一起常稱為數(shù)字復用設備。

數(shù)字復用必須按照一定的標準進行。國際電信聯(lián)盟電信委員會(ITUT)的前身國際電報電話咨詢委員會(CCITT)規(guī)定了兩種基本復用標準。前期為準同步數(shù)字系列(PDH)，后期為適應通信傳輸網(wǎng)的發(fā)展需要，又提出同步數(shù)字系列(SDH)，使SDH 技術成為不僅適用于光纖也適用于微波和衛(wèi)星傳輸?shù)耐ㄓ眉夹g體制。

1 SDH 技術的基本原理

SDH 技術最核心的特點之一就是同步復用。SDH 采用的信息結(jié)構等級稱為同步傳送模塊STM－ N(Synchronous Transport Module的縮寫，N=1，4，16，64)，最基本的模塊為STM－1，4個STM－1 同步復用構成STM－4，16個STM－1或4個STM－4 同步復用構成STM－16;SDH 采用塊狀的幀結(jié)構來承載信息，每幀由縱向9 行和橫向270* N 列字節(jié)組成，每個字節(jié)含8 比特，整個幀結(jié)構分成段開銷(Section Over Head，縮寫為SOH)區(qū)、STM－N 凈負荷區(qū)和管理單元指針(AU PTR)區(qū)三個區(qū)域，其中段開銷區(qū)主要用于網(wǎng)絡的運行、管理、維護及指配以保證信息能夠正常靈活地傳送，它又分為再生段開銷(Regenerator Section Over Head，縮寫為RSOH)和復用段開銷(Multiplex Section Over Head，縮寫為MSOH);管理單元指針用來指示凈負荷區(qū)域內(nèi)的信息首字節(jié)在STM－N 幀內(nèi)的準確位置以便接收時能正確分離凈負荷;凈負荷區(qū)域用于存放真正用于信息業(yè)務的比特和少量的用于通道維護管理的通道開銷字節(jié)。SDH的幀傳輸時按由左到右、由上到下的順序排成串型碼流依次傳輸，每幀傳輸時間為125μs，每秒傳輸1/125* 10(－6)=8000 幀，對STM－1 而言每幀字節(jié)為8 比特/字節(jié)* (9* 270* 1)字節(jié)=19440 比 特，則STM－ 1的傳輸速率為19440* 8000=155.520Mb/s;而STM－4的傳輸速率為4* 155.520Mb/s=622.080Mb/s;STM－16的傳輸速率為16* 155.520(或4*622.080)=2488.320Mb/s。

SDH 技術使用SDH 幀結(jié)構來傳輸數(shù)字流，各種業(yè)務信號要進入SDH的幀都要經(jīng)過映射、定位和復用三個步驟:映射是將各種速率的信號先經(jīng)過碼速調(diào)整裝入相應的標準容器(C)，再加入通道開銷(POH)形成虛容器(VC)的過程，幀相位發(fā)生偏差稱為幀偏移，定位即是將幀偏移信息收進支路單元(TU)或管理單元(AU)的過程，它通過支路單元指針(TU PTR)或管理單元指針(AU PTR)的功能來實現(xiàn);復用則是將多個低價通道層信號通過碼速調(diào)整使之進入高價通道或?qū)⒍鄠€高價通道層信號通過碼速調(diào)整使之進入復用層的過程。

舉例說明:以139.24Mb/s 信號到STM－1的形成過程為例，139.264Mb/s 信號首先進入容器VC－4，速率調(diào)整后輸出149.76Mb/s的數(shù)字信號，進入虛容器VC－4 中加入通道開銷(POH)576kb/s 后輸出150.336Mb/s的信號，在管理單元AU－4 內(nèi)加入管理單元指針(AU PTR)576kb/s 后輸出150.912Mb/s的信號，因STM－N 中的N=1 故由一個管理單元組AUG 加入段開銷(SOH)4.608Mb/s 后輸出155.520Mb/s的STM－1 信號。

標準的光接口是SDH 技術的又一特點。SDH 網(wǎng)絡設備有交換設備，包括配有SDH 標準光接口和電接口的交換機，傳送設備包括終端復用器、分插復用器和數(shù)字交叉連接設備及再生器，接入設備包括數(shù)字環(huán)路載波、光纖環(huán)路系統(tǒng)等;其中分插復用器(Add/Drop Multiplexer 縮寫為ADM)是SDH網(wǎng)絡中應用最廣泛的設備，它利用時隙交換實現(xiàn)寬帶管理即允許兩個STM－N 信號之間的不同VC 實現(xiàn)互連，并具有無需分接和終接整體信號即可將各種G703《數(shù)字體系接口物理/電氣特性》規(guī)定的STM－N 信號接入STM－M(M ＞N)內(nèi)作任何支路的能力，ADM 在環(huán)形網(wǎng)中應用時還具有獨特的自愈能力，即網(wǎng)絡發(fā)生故障時無需人為干預就可在極短時間內(nèi)從失效故障中自動恢復所攜帶的業(yè)務，也就是說使網(wǎng)絡具備發(fā)現(xiàn)故障的能力并能找到替代路由在時限內(nèi)重新建立通信線路。

2 SDH 技術應用于廣播電視信號傳輸

ISO/OSI 共有七層，第一層為物理層(Physical Layer):將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為可通過物理介質(zhì)傳送的電子信號。SDH 技術基本處于ISO/OSI的第一層，用來保障比特流傳輸?shù)恼_性，它不具備動態(tài)鏈路建立和交換能力，只擁有靜態(tài)的電路分插復用和交叉連接能力，即通過操作員發(fā)出電路連接指令來建立某個物理通道;廣播電視領域的SDH 網(wǎng)起著公共的物理傳輸平臺的作用，在此平臺上一部分帶寬用來傳輸經(jīng)數(shù)字終端設備(CODEC)編解碼的廣播電視節(jié)目，另一部分用來直接傳輸用戶數(shù)據(jù)或是傳輸從ATM、IP 交換機匯聚來的數(shù)據(jù)流等。

用SDH 技術傳輸?shù)氖菙?shù)字信號，因此，在傳輸廣播電視模擬信號時，必須先對信號進行數(shù)字化處理。數(shù)字化處理分為取樣、量化、編碼等步驟，取樣即是以一定的取樣頻率抽取輸入信號的一個瞬時幅度值(取樣值)，取樣后得到一系列的脈沖式的取樣值稱為取樣序列，量化即是對取樣序列進行幅度上的離散化過程，編碼就是用二進制代碼表示量化值，在信號傳輸?shù)哪康牡貙⒘炕缔D(zhuǎn)換為信號的過程稱為解碼。由于電視信號編碼后數(shù)據(jù)量大因而需對其進行壓縮編碼，壓縮編碼主要是通過減少圖像像素之間的相關性來達到壓縮圖像的目的，其主要優(yōu)點是對傳輸容量的要求有所降低，缺點是當壓縮所含信息量大的圖像時由于要犧牲掉部分圖像信息從而導致方塊效應;圖象壓縮編碼后每個數(shù)碼對前后圖像都有影響，如果傳輸中發(fā)生誤碼則接收端還原出來的圖像將會受較大影響即誤碼擴散問題;此外壓縮編碼還將給圖像信號中插入如股票行情等增值信息帶來不便等。

廣播電視傳輸設備常用的接口有45Mb/s和155Mb/s，這是因為在SDH的傳輸速率中34.368Mb/s和139.264Mb/s是最適合電視圖像傳輸?shù)乃俾?，廣播電視節(jié)目信號是模擬信號，要先經(jīng)過編碼器變換成數(shù)字信號壓縮后形成139.264Mb/s碼率進入到C4 容器或者壓縮后形成34.368Mb/s 進入C3容器并最終形成STM－1，廣播電視節(jié)目的視頻和音頻信號存放在SDH的幀結(jié)構中的凈負荷區(qū)域內(nèi)，SDH 設備的34Mb/s(或45Mb/s)和139.264Mb/s 接口接圖像編碼器，2Mb/s 接口接數(shù)據(jù)和話音輸入設備，轉(zhuǎn)換成SDH 形式的廣播電視信號通過光纖或者微波發(fā)射進行傳輸，信號傳到業(yè)務站點后經(jīng)解碼器將圖像數(shù)據(jù)信號還原成模擬信號，通過調(diào)制器將其變換到相應頻道經(jīng)有線電視網(wǎng)傳到用戶家中。

目前，世界上主要使用的彩色電視制式有三種，即NTSC、PAL和SECAM，我國的彩色電視采用的是PAL 制式。亮度信號(Y)取樣頻率13.5MHz，色差信號(R－Y，B－Y)的取樣頻率各為6.75MHz，Y，R－Y，B－Y 每個取樣信號被8bit 量化則總的傳輸碼率為13.5* 86.75* 86.75* 8=216Mbit/s，對傳輸速率2.5Gb/s的STM－16 而言只能傳輸8路視頻信號，因而用SDH 傳輸電視信號首先要對其進行壓縮編碼處理;傳輸廣播電視信號常用的壓縮編碼技術有差值脈沖編碼調(diào)制(DPCM)，利用圖像數(shù)據(jù)在空間和時間上的冗余特性用相鄰的已知像素或圖像塊對當前待編碼的像素或圖像塊進行預測然后對預測值和真實值的差值即預測誤差進行量化和編碼，這種壓縮方式算法簡單易于實現(xiàn)，缺點是編碼壓縮比低、對信道噪聲及誤碼敏感、易產(chǎn)生誤碼擴散等。廣播電視信號的傳輸目前采用這種壓縮技術較多，每路電視信號經(jīng)DPCM 壓縮編碼成70Mb/s，兩路70Mb/s 信號復合成140Mb/s 進入STM－1，即每個STM－1 傳輸兩路DPCM 壓縮的電視信號。除此之外還有MPEG－2 壓縮技術，這是當前電視編解碼的標準，電視節(jié)目信號可壓縮到1.5 ～15Mb/s，用SDH的STM－16(2.5Gb/s)可傳輸300 多套MPEG－2 壓縮的數(shù)字電視信號，MPEG－2的缺點是壓縮比較高時信號質(zhì)量較差，特別是壓縮到2Mb/s 以下時圖像的馬賽克效應非常明顯，因而一般常壓縮到8Mb/s，復用成34Mb/s 進入C3 容器最終形成STM－1，由于MPEG－2 編解碼器價格較高故目前應用較少。

不足之處:SDH 技術傳輸廣播電視信號時要求SDH 網(wǎng)有較好的時鐘同步性能和低抖動性能，網(wǎng)絡的同步性能差會引起指針調(diào)整，指針調(diào)整將導致彩色電視信號瞬時變色，而網(wǎng)絡的低抖動性能將通過SDH 網(wǎng)傳遞給解碼器在解碼器輸出端產(chǎn)生抖動引起信號色彩的變化;目前主要采用比特泄漏技術來減少指針調(diào)整的問題，或者在SDH 信號進入映射器前將時鐘信號和數(shù)據(jù)信號分離使數(shù)據(jù)信號經(jīng)過映射器后再和時鐘信號合成，但這種方法需對SDH 設備作較大的改動。消除抖動的有效辦法就是選用不引入抖動的SDH 設備和能容忍抖動的圖像編解碼器等。SDH 技術主要是為傳輸話音和數(shù)據(jù)業(yè)務而制定的，對視頻業(yè)務而言SDH 技術還存有許多不足之處有待于今后在實踐中不斷完善從而使其更加適合于廣播電視信號的傳輸。

3 結(jié)束語

SDH 技術具有傳輸容量大、傳輸距離遠、傳輸質(zhì)量好，以及強大的網(wǎng)管功能和自愈功能，不同廠家的SDH 設備能相互兼容，也可以兼容現(xiàn)有準同步數(shù)字體系的各種速率，同時還能容納各種新的業(yè)務信號等優(yōu)點。到目前為止，還沒有出現(xiàn)可完全替代SDH的新技術，有的只是現(xiàn)有SDH的發(fā)展和補充，這也證明了SDH 強大的生命力。SDH 技術的一系列優(yōu)點使其非常適合傳輸廣播電視信號，該技術較好的時鐘同步性能、抖動性能和網(wǎng)絡同步性能確保了廣播電視的信號質(zhì)量。隨著廣播電視傳輸網(wǎng)絡建設的不斷發(fā)展，相信SDH 技術在廣播電視領域中的應用前景會越來越廣闊。

［1］姚冬萍.數(shù)字微波通信［M］.北京:北京交通大學出版社，2004.

［2］韋樂平，李英灝.SDH 及其新應用［M］.北京:人民郵電出版社，2001.

［3］孫學康.SDH 技術［M］.北京:人民郵電出版社，2003.